DE2261267A1

DE2261267A1 - Verfahren und vorrichtung zum nachweis von alkalimetall-lecks und dafuer geeignetes material

Info

Publication number: DE2261267A1
Application number: DE2261267A
Authority: DE
Inventors: Eugene Farrell Hill
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1971-12-16
Filing date: 1972-12-14
Publication date: 1973-07-05
Also published as: IT971919B; GB1421546A; FR2170464A5; JPS4877893A; GB1421545A; NL7217247A; DE2261267B2; DE2261267C3

Description

U. Dez. ;972

PATENTANWÄLTE ■ V-1 P340 D

DR. CLAUS REINLÄNDER
DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

D- 8 MÖNCHEN 60 THEODOR-STORM-STRASSE T8a

VARIAN Associates, PaIo Alto., CaIo₉ USA

Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Alkalimetall-Lecks und dafür geeignetes Material

Prioritätr 16. Dezember 1971 - USA ~ Serial No« 208 733

Zusammenfassung

werden ein Verfahren und ©ine Vorrichtung beschrieben, mit dem bzw. der ein Leck für flüssiges Alkalimetall in einer Konstruktion entdeckt werden kann, beispielsweise dem Wärmeübertragungssystem ©ines Kernreaktors. Wenn Alkalimetall aus der es enthaltenden Konstruktion austritt und daraufhin mit einer Verbindung in Berührung kommt, die Wasserstoff enthält, der durch das Alkalimetall ersetzt werden kann, tritt eine chemische Reaktion ein, durch die Wasserstoffgas erzeugt wird. Das so erzeugte Wasserstoffgas diffundiert sehr schnell durch den dem Natriumleck benachbarten Bereich. Die Wasserstoffverbindung kann in verschiedenen physikalischen Formen vorliegen. Die Verbindung Bariumhydroxyd" ist' besonders als Quelle f«r die Erzeugung von Wasserstoff gas geeignet. * Wasserdampf in Luft oder in einem anderen inerten Gas ergibt ebenfalls

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eine brauchbare Wasserstoffquelle. Ein im Bereich des Alkalimetallecks angeordneter Fühler fühlt das Vorhandensein von Viasserstoffgas und aktiviert daraufhin einen Alarm oder eine Auf zeichnung vorrichtung. Bin bevorzugter Wasserstoffühler besteht aus einer Zonenzerstäubungspumpe, die mit einer Sonde ausgestattet ist, die eine für Wasserstoff durchlässige Membran aufweist· Paladium ist ein besonders geeignetes Material für eine- solche Membrane. Durch die Membrane der Sonde hindurchtretendes Wasserstoffgas sorgt für einen Anstieg des Druckes innerhalb der Pumpe. Der von der Pumpe gezogene Strom ist proportional dem Druck innerhalb der Pumpe über einen großen Druckbereich. Das Vorhandensein von Wasserstoff in der Pumpe kann also durch unmittelbare überwachung des Druckes in der Pumpe oder durch überwachung des während des Pumpenbetriebes von dieser gezogenen Stroms beobachtet werden. Die Druckänderung in der Pumpe aufgrund durch die Membrane an der Pumpensonde diffundierenden Wasserstoffs erzeugt ein Signal, das einen Alarm oder ein Aufzeichnungsgerät aktiviert. Da die Durchlässigkeit der Membran durch änderungen der Temperatur der Membran beeinflußt wird, können Einrichtungen vorgesehen werden, mit denen Variationen Im von der Pumpe erzeugten Signal kompensiert werden, die durch Variationen der Membrantemperatur verursacht werden. In solchen Fällen, in denen regulärer (nicht isotopischer) Wasserstoff normalerweise in dem Bereich außerhalb der Natrium enthaltenden Konstruktion vorhanden ist, zeigt der Nachweis von Wasserstoff nicht notwendigerweise das Vorhandensein eines Lecks an. In solchen Fällen ist es notwendig, zu gewährleisten, daß das Wasserstoffgaa, das vom Fühler nach der Erfindung nachgewiesen wird, nur solches ist, das durch die chemische Reaktion erzeugt v/orden ist, die sioh aufgrund des Alkallmetallecks ergibt.

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Das kann dadurch erreicht werden _s daß eine deuteriumhaltige Wasserstoffverbindung in dem Bereich nahe der Katriusa enthaltenden Konstruktion angeordnet wird, und die XonensprUh- oder andere Vakuumpumpe mit einem Massenspektrometer gekoppelt wird.. \Jezm Deuterium vom Massenspektrometer nachgewiesen wird» wird ein Ala.rm oder ein Aufzeichnungsgerät daraufhin aktiviert. Die Wirksamkeit des Lecknachweißsystons kann bewertet und periodisch geprüft werden» indem einfach eine gemessene Wasserstoff gasmenge in den Bereich in der Nähe der Alkali enthaltenden Konstruktion eingeführt wird. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, ein kontrolliertes Alkalimetalleck herbeizuführen» um das Lecknachweissystem zu prüfen. Es werden Vorkehrungen getroffen» um die wasserstoff durchlässige Membran, auf konstanter Temperatur zu halten oder das nachweis«· system in Abhängigkeit von verschiedenen Temperaturen der Membran zukalibrieren·

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft den Nachweis von Alkalimetalleoks, insbesondere im Hinblick auf Wärmeübertragungssysteme mit flüssigem Natrium für Kernreaktoren.

Es sind verschiedene Techniken entwickelt worden» um ein Natriuinleck im Kühlsystem eines Kernreaktors nachzuweisen. Bei der derzeit häufigsten Technik wird ein Paar Elektroden, die durch einen geeigneten Spalt voneinandor getrennt sind, in der Nähe der Natrium enthaltenden Konstruktion angeordnet· Wenn ein Natriumleck auftritt, wird das Natrium auf den Eld&roden kondensieren oder auf diese fließen und

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wird schließlich einen Kurzschluß zwischen den Elektroden herbeiführen. Dieser Kurzschluß aktiviert einen Alarm oder ein Aufzeichnungsgerät. Bei dieser Technik treten zwei wesentliche Nachteile auf· Zunächst ist der Weg des kondensierenden oder fließenden Natriums nach dem Austritt aus der es enthaltenden Konstruktion unvorhersehbar, und es let nicht zu gewährleisten, daß das austretende Natrium jemals mit den Elektroden in Berührung kommt, um einen Kurzschluß hervorzurufen. Weiterhin sind die Elektroden empfindlich gegen Kurz* Schluß durch andere Stoffe als leckendes Natrium, so daß die Möglichkeit für falsche Leckalame gegeben 1st·

Bei einer anderen Technik trifft Licht von einer Natriumdampflampe auf eine fotoä&ktrische Zelle in der Nachbarschaft der Natrium enthaltenden Konstruktion· Venn Natrium aus der es enthaltenden Konstruktion austritt, "bewölken" die Natriumatone den Bereich zwischen der Natriumdampflampe und der fotoelektrischen Zelle. Die Natrium?.tone in der "Wolke" absorbieren Licht von der Lampe, so daß die Intensität des auf die fotoelektrische Zelle auftreffenden Lichtes herabgesetzt wird· Diese Herabsetzung der Intensität des auf die fotoelektrische Zelle auf treffenden Lichtes kann festgestellt werden, um einen Leckalarm oder ein Aufzeichnungsgerät zu aktivieren« Wenigstens einer der Nachtelle der oben beschriebenen Kurzschlußtechnik gilt jedoch auch für die Atomabsorptionsteohnik. Das leckende Natrium kann auf Oberflächen außerhalb der es enthaltenden Konstruktion kondensieren und niemals bis zum Bereich zwlsfeen der Lampe und der fotoeloktrischen Zelle laufen. Die Unvorhersehbarkelt des Tfeges des leckenden Natriums macht sowohl die Kurzschlußtechnik al« auoh die Atomabsorptionstechnik ineffektiv, wenn ein schneller Naohweis eines Natriumlecks gewährleistet werden soll.

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Bei einer anderen Technik wird die Atmosphäre in dem Bereich nahe den Außenflächen der Natrium enthaltenden Konstruktion gefangengehalten, und diese gefangene Atmosphäre wird in regelmäßigen Intervallen in eine Wasserlösung gebracht. Natrium, das in diesen Bereich ausgetreten ist, sorgt dafür, daß das Wasser alkalisch wird, gleichgültig, ob das Natrium rein bleibt oder oxydiert hat· Der pH-Wert des Wassers kann überwacht werden, und eine Änderung dieses pH-Wertes kann die Aktivierung eines Alarms oder eines Aufzeichnungsgerätes bewirken. Das Hauptproblem bei dieser Technik» abgesehen von der Forderung nach aufwendiger Zusatzeinrichtung, ist darin zu sehen, daß sie nicht ausreichend empfindlich ist, um kleine Natriumlecks nachzuweisen. Geringfügige Änderungen im pH-Wert einer grolton Wassermenge sind schwierig nachzuweisen» Weiterfeiis. kann leckendes Natrium auf Oberflächen der Konstruktion kondensieren, ohne sich mit der eingeschränkten Atmosphäre zu mischen» die in dio Wasserlösung zur Prüfung des pH-Wertes gebracht wird.

Bei einer weiteren Technik wird der Sauerstoffgasgehalt einer eingeschränkten Atmosphäre in der Nähe der Natrium enthaltenden Konstruktion überwacht· !«eckendes Natrium reagiert chemisch mit dem Sauerstoff gas und reduziert damit die Sauerstoffgasmenge In der Atmosphäre. Pas Hauptproblem bei dieser Technik liegt darin» daß sie nicht ausreichend empfindlich ist» um kleine Natriumlecks nachzuweisen· Außerordentlich kleine Änderungen im Sauerstoff gasgehalt eines großen Volumens Überwachter Atmosphäre sind schwierig nachzuweisen»

Vorhandene Natriumleck-Nachweistechniken kön«n nicht

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so abgeändert werden, daß sie kalibriert und für positive Zuverlässigkeit geprüft werden können, ohne daß dafür gesorgt wird, daß Natrium in das Nachweissystem eindringt. Sin kontrolliertes Natriumleck ist schwierig zu erhalten, insbesondere wegen der ünvorhersehbarkeit des Weges, den das leckende Natrium einschlägt. Ba es schwierig ist, alle Natriumspuren aus den Naclwoissystom zu entfernen, nachdem eine T'irkungsprüfung des Systems durchgeführt worden ist, ist es sehr unerwünscht, die Wirksamkeit vorhandener Natriumleck-Nachweissysteme zu prüfen.

Z\iSCTwenfasswifi der Erf Indvmpf

Durch die Erfindung wird ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis eines Alkalimetallocks verfügbar gemacht, wie es im Uännaüborgangasystem eines natriumgekühlten Kernreaktors auftreten kann. Brffindungsgemäß wird eine geeignete Wasserstoffverbindung in Verbindung mit den Außenflächen der Alkalimetall enthaltenden Konstruktion vorgesehen und eine Ionenzerstäubungspumpenaonde mit einer wasserstoff durchlässigen Membran in der Nähe der Alkallmetall enthaltenden Konstruktion angeordnet· Venn ein Leck auftritt, findet eine chemische Reaktion statt, mit der Wasserstoffgas erzeugt wird· Das so erzeugte Wasserstoffgas erreicht wegen seiner großen Beweglichkeit schnell die wasserstoffdurchlässige Membrane der Ionenzerstäubungspumpensonde und diffundiert durch diese hindurch· Der höhere Druck in der Ionenzerstäubungspumpe, der durch das eindringende Wasserstoff gas hervorgerufen wird, sorgt dafür, daß ein Alarm oder ein Aufzeichnungsgerät aktiviert wird*

Ss wurde experimentell festgestellt, daß, wenn die Außenfläche einer Natrium enthaltenden Konstruktion mit Luft oder einer inerten Gasatmosphäre in Verbindung

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steht, genügend Wasserdampf vorhanden ist, um öle Erzeugung einer nachweisbaren Menge von Wasserstoffgas zu unterhalten, wenn Natrium in eine solche Atmosphäre leckt, selbst wenn der Taupunkt der Luft oder des inerten Gases bei -AG ⁰C (-45 ⁰F) liegt.

Xn Situationen, wo das Vorhandensein von Luft oder einem inerten Gas mit ausreichendem Wassergehalt nicht angenommen vier den kann, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß irgendeine andere wasserstoff haltige Substanz an einem Ort angeordnet wird, wo sie mit dem Alkalimetall in Berührung kommt, das aus der es enthaltenden Konstruktion austritt»

3s wurde experimentell festgestellt» daß die Verbindung Bariumhydroxyd, Ba(OH)₂ oder BaO * H₂O besonders als Wasserstoffgaserzeugungsquelle in der Nähe, eines Kern-* reaktors geeignet ist· Bariumhydroxyd ist chemisch stabil bis zu Temperaturen von 700 ⁰C, also gut oberhalb des Bereiches, in dem Kernreaktoren normalerweise arbeiten* Bariumhydroxyd ist auch unter den Strahlungsflüssen stabil, die bei Kernreaktoren auftreten· Zusätzlich , reagiert Bariumhydroxyd mit Natrium, dem Alkalimetall, das normalerweise in Kernreaktoren verwendet wird, innerhalb des ganzen Temperaturbereiches, in dem Kernreaktoren üblicherweise arbeiten, reagiert jedoch nicht korrosiv mit rostfreiem Stahl oder anderen Hochtemperaturlegierungen auf Bisenbasis bei diesen Temperaturen· Bariumhydroxyd 1st deshalb besonders verträglich mit den Natrium enthaltenden Konstruktionen eines IvernreaktorkUhlsystems, und weiter ist es inert hinsichtlich der Silikate oder Oxyde, die normalerweise als Isolierwerkstoffe verwendet werden« . . ..

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In Situationen, in denen freies, nicht isotopisohes Wasserstoffgas normalerweise in der Nähe der Alkalimetall enthaltenden Konstruktion erwartet werden kann» auch wenn kein Leck vorhanden ist, wird es notwendig» oin System vorzusehen, das nur solches Wasserstoffgas nachweist, das durch Alkalinetall erzeugt worden ist, das aus der es enthaltenden Konstruktion ausgetreten ist. Aus dem Lock resultierendes V/asserstoffgas wird von freiem Wasserstoff dadurch unterschieden» daß eine Verbindung, die eine Wasserstoffisotope enthält, in der Nähe der Alkallmetall enthaltenden Konstruktion angeordnet wird, und die Ionensprüh- oder andere Vakuumpumpe mit einem Massenspektrometer gekoppelt wird· Leckendes Alkalimetall erzeugt eine Menge isotopischen Wasserstoff gases» die weit die Menge an isotopischem Wasserstoff übersteigt, die normalerweise in der Atmosphäre anzutreffen ist, und dieser Überschuß kann leicht mit dem Massenspektrometer nachgewiesen werden. Bariumdeuteroxyd (d.h. Bariumhydroxyd mit einem schweren Wasserstoffatom) ist leicht verfügbar, und 1st besonders als Quelle zur Erzeugung isotopischen Wasserstoffs in der Nähe eines Kernreaktors geeignet. Die Stabilitätseigenachaften von Bariumdeuteroxyd sind vergleichbar denen von Bariuahydroxyd·

Die Durchlässigkeit der Membran, durch die Wasserstoffgas in das Vakuumsystem diffundiert, das mit der Membran verbunden ist, ist von der Temperatur der Membran abhängig. Die Messung von durch die Membran diffundierendem Wasserstoff· gas ist also nur dann eine korrekte Messung der Wasserstoffgaskonzentration außerhalb der Membran, wenn das System für die Temperatur der Membran kalibriert ist. Das wird entweder dadurch errβloht, daß die Temperatur der Membran durch Verwendung eines Heizers konstant gehalten wird, oder die Temperatur der Membcan überwacht wird und das

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Drücksignal mittels eines Temperaturkoi&pensationssigiials eingestellt wird.

Durch die 3r£indung soll Cor Nachweis eines Alkalimatallecks aus einar Alkalimetall enthaltenden Konstruktion durch Feststellung von Wasserstoff gas erreicht werden, das durch das leckende Alkalimetall erzeugt ist· lösbesondere soll durch die Erfindung der Nachweis eines Hatriualeeks durch einen Wasserstoffgasfühler erreicht werden, d@r so angeordnet 1st« daß er Wasserstoff gas feststellt» das durch den Ersetz von Wasserstoff in einer wasserstoff hclti^en* Vorüindung erzeugt worden late

Weiter soll nach der BrfIn&uag ®Ia<s wasserstoff haltige Substanz in der Nähe dar Außenseite einer Alkalimetall enthaltenden Konstruktion angeordnet werden, um eine • sichere; Wasserstoff quell© "asu erhalten· Im Zusammenhang damit soll eine Quelle für isotopisehen Wasserstoff hinzugefügt werden»» @ine Uhtarsehoidimg %w&BGh®& freiem, nicht isotop&eehea Wasserstoff tmd Wasserstoff zu emüslichen» der durch ein Leok hervorgerufen ist.

Weiter soll durch die Lrfindtmg ein wirk@&m@s System mit geringem Aufwand verfügbar gemacht werden» Mit dem eine Ionenpumpe als kombinierte Yakuumqmlle und Druckmeßeinrichtung im Hachwei^systeii nach der Erf indimg vemfendet wird·

Ferner soll durch die Brandung ein System verfügbar gemacht werden, das die Berücksichtigimg der ^amperatur der wasserstoffttarchlässigen Membran ermugliclit , um ein Ausgangssignal zu erhalten» das \?ahrh@ft repräsentativ für die Trasserstoffgaskonzentration außer» halb der Meabran ist.

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Weiter soll durch die Erfindung eine sohneile Anzeige für das Vorhandensein eines Natriumlecks verfügbar gemacht werden» ohne daß leckendes Natrium auf die Lecknaohweiseinrichtung kondensieren oder mit dieser in Kontakt kommen muß«

Weiterhin soll durch die Erfindung eine Nachweismöglichkeit für ein Alkclimetalleck in einer Alkalimetall enthaltenden Konstruktion verfügbar gemacht werdenι die kalibriert und geprüft werden kann, ohne daß ein kontrolliertes Lee!: oc*or überhaupt ein Leck herbeigeführt werden mud.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden\ es zeigen:

Flg. 1 schematisch ein System mit dem Grundkonzept dor Erfindungί

Fig· 2 einen Schnitt durch eine Lecksonde;

die 'Jbrigsn Tolle sind sohenatisch dargestellt;

Fig. 3 eine weitere AuefUhrungsform der Erfindung

teilweise geschnitten und teilweise achematisch dargestellt; und

Fig. 4 schematisch ein System mit einem Massenspektrometer*

Bas Grundkonzept der Erfindung ist in Verbindung alt Fig. erkennbar, in der ein Stück Rohr 1 des "ärmeübergangssystems eines natriumgekUhlten Kernreaktors dargestellt ist, und eine Sonde 2 einer lonenzerstäubungspumpo 2, die mit einem Alarmgerät 4 verbunden ist» Sine Wasserstoffverbindung, in der der Uasserstoff duroh Natrium ersetzt

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werden kann, ist in Verbindung mit der Außenfläche des Rohrs 1 erforderlich» durch das flüssiges Natrium beim Kühlen des Kernrealetors fließt, tfenn im Rohr 1 , ' ein Leck auftritt, kommt Natrium mit der Wasserstoffverbindung in Berührung, die in Verbindung mit dem Ort des Leckes vorhanden ist· Ds findet dann eine chemische Koalition entsprechend der allgemeinen Gleichung

2 Na + 2 HX ». 2 NaX + H₂

statt, in der X das Element oder Radikal der Wasserstoffverbindung HX repräsentiert, das sich mit Natrium verbindet· Aufgrund dieser chemischen Reaktion wird Wasserstoff gas erzeugt. Da Wasserstoff außerordentlich beweglich ist, kenn die Sonde 2 in einem erheblichen Abstand vom Rohr 1 angeordnet v/erden, wenn es auch aus praktischen Gesichtspunkten zweckmäßig ist, sie im gleichen Raum wis das Rohr anzuordnen. Selbstverständlich kann eine Vielzahl von Sonden verwendet werden, und sie können mit der gleichen Pump© 3 oder mit getenni©n Pismp©» verbunden v/erden. Die verschiedenen ,Proben würden , r mit verschiedenen Pumpen verbunden werden₉ .wenn ©s erwünscht ist, zu wissen, welche Sonde das Leck fest-» gestellt hat oder das Leck zuerst festgestellt hat, wenn angenommen wird, daß nicht alle Proben in gleicher 'leise für das Leck zugänglich sind« Biese Anordnung hilft boi der Lokalisierung d©s Lecks,

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ©iae geeignete Sonde dargestellt* Die Sonde besteht aus eisern ifetaXXzylinder mit einer wasserstoffdurchlässigen Membran 8₉ die an ein Ende desselben angelötet oder in anderer Tfeise vakuumdicht damit verbunden ist. Die Membran besteht vorzugsweise

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aus Palladium wögen dessen hoher Durchlässigkeit für Wasserstoff gas, andere Werkstoffe, die für Wasserstoff durchlässig sind und für andere Gase im wesentlichen undurchlässig sind, wie Eisen, Nickel» Titan, Zirkon, Niob und Yttrium. Wie bereits erwähnt ist die Durchlässigkeit der Membran von ihrer Temperatur abhängig· Insbesondere steigt die Durchlässigkeit mit steigender Temperatur» Es ist deshalb erwünscht« die Member heiß zu betreibenρ um die Empfindlichkeit des Systeme für eine Membran bestimmter Größe zu erhöhen. Die Membran kann mit einem Heizer 9 erwärmt werden» wenn die Membran in einer relativ kUhlen Umgebung angeordnet ist. Der Heizer kann ein üblicher elektrischer Heizer in Form eines Spiraldrahtes sein, der eine äußere Zuleitung 10 und eine innere Zuleitung 11 aufweist. Eine elektrisch isolierende Hülse 12 umgibt den Metallzylinder 7» um die Leituijpn 10 und 11 aufzunehmen. Der Heizer 9 wird in üblicher Ueise mit einer elektrischen Stromquelle 14 mit Energie versorgt.

Aus der vorangegangenen Diskussion sollto klar sein, daß ein Heizer einen oder zwei Zwecke erfüllen kann. Ztn Zv/eck ißt einfach, die Membran heiß zu betreiben, und zwar in den Fällen, in denen sich die Membran in einer relativ kühlen Umgebung befindet. Der andere Zweck ist, die Temperatur der Membran konstant zu halten, so daß die Wasserstoffmenge, die duroh die Membran hindurchinVtt, wahrhaft die Konzentration des Ifasserstoffgases außerhalb der Probe wiederspiegelt. Für eine bestimmte Ifasserstoffkonzentration dringt bei niedriger Temperatur eine relativ kleine Menge durch die Membran hindurch, und bei hoher 'temperatur der Membran tritt eine relativ große Menge durch. Bei der Aueführungsform nach Fig. 2 wird der Heizer 9 für beide Zwecke verwendet. Dementsprechend ist ein Temperaturfühler,

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beispielsweise ein Thermoelement 1 Ti mit der Membran 6 verbunden. Die Thermoelementzuleitungen 16 imd 17 führen au einer üblichen Stromversorgung und einem SignalempfSnger Das vom Empfänger 1C aufgenommene Temperatursignal wird der Stromversorgung 14 zugeführt, um die Stromversorgung so einzustellen, daß die Membran auf einer ges?ünschten Temperatur gehalten wird_t beispielsweise AOO ⁰G.

Das untere Ende des Sondenzylinders 7 ist mit einer Vakuumpumpe 3 verbunden» Di© Verbindung wird vorzugsweise mit Hilfe eines Valcuumflänsches 20 hergestellt? &©x* vakuumdicht mit dem Rohr 7 verbunden ist und sit einem passenden Flansch 21 verbolzt t-jlrd» am? TialaiiMdicht mit dem Sinlaßrohr 23 dar Vakuumpumpe 3 wrbuade» 1st» Geeignete Vakuumffensehe sind Sm €a^ lfS»Pat©»t&clir££t 3 2OC 75S beschrieben*

Wie bereits erläutert_λ ist di© Va&ysmpusäpa 3 eine Jdiensersi^taiXiasspu^pey- wsil eto© sülefe sov/ohl als Pumpe als auch' als Hanomet@r di@nt» Xonenzerstäubungspumpen sind in den US»Pateiiteahri£teB 2 755 014 und 2 993 638 beschrieben · B©i @is©3S» solehesa Pumpe wird das Gas in der Pump© i©aiel®rt und d@r voa der Pumpe gezogene - Strom ergibt ©to MaS für den GaedLmels: in der Pumpe·

Das Gasdrucksignal, was duroh dan FmpenstiOSi gegeben wird, wird zum Alarm 4 übertragen, der in geeigneter ,üblicher Weise ausgelegt wird und ein hörbares mid/οάον eichtbaree Alarmzeichen gibt» In einigen. Systemon ist es auch,. erwünscht, daß der Alarm auch ein automatisches Gerät auslöst, mit dem der Kernreaktor oder das andere System abgeschaltet wird, das hinsiohtlioh Lecke übeimoht wird· ist fsmor erwünscht, daß das Aisnagerät 4 @inen

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Schreiber enthält, der inspiziert werden kann, um die GrSBe und vorzugsweise auch die Zeit des Leckes kennenzulernen*

Im Betriob nach der Erfindung wird der Untergrunddruok innerhalb der Pumpe 3 im kontinuierlichen Betrieb konstant gehalten. Der Alarm wird so eingestellt1 daß das Drucksignal von der Pumpe zum Alarm aufgrund dieses Untergrunddruckes nicht ausreicht, den Alarm auszulosen, und irgendein Schreiber im Alarmgerät zeichnet den Uhtergrunddruek als Nullpegel oder Unterpegel auf* Wenn Alkalimetall, beispielsweise Natrium» aus der es enthaltenden Konstruktion austritt, die durch das Rohr 1 repräsentiert ist, und mit einer Wasserstoff enthaltenden Substanz in Berührung kommt, beispielsweise feuohtigkeitshaltige Luft, wird Ifasserstoffgas erzeugt. Das Wasserstoffgas diffundiert durch die Membran G in die Pumpe 3» wo es ionisiert wird* Der von der Pumpe gezogene Stroa steigt dann vom Hintergrundpeeol cn und aktiviert den Alarm.

Es worden zwar Pumpen der in den US-Patentschriften 2 755 014 und 2 993 63G beschriebenen Art bevorzugt, selbstverständlich können aber auch andere Ionenpumptypon, die eine Druckmessung ergeben, ebenso wie pumpen, verwendet werden. Selbstverständlich können auch Vakuumpumpen verwendet werden, die ausschließlich pumpen _t wenn ein übliches Vakuummanometer mit der Pumpe verbunden wird. In einem solchen Falle würde der Alarm 4 mit dem Manometer verbunden*

Wenn das Rohr 1 von einer Luftataosphäre umgeben ist, wurde festgestellt,daß sich ausreichend Wasserdampf in der Luft befindet (selbst wenn der Taupunkt der Luft bei -48 ⁰C (-45 ⁰F) liegt) um eine nachweisbare Menge

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von Wasserstoffgas beim Eintreten eines Natriumlecks . zu erhalten. Zwei ReaktJnen erfolgen in diesem Falles Zunächst reagiert das Natrium mit dem Wasserdampf nach der Gleichung

2Na + 2H₂O —»2 NaOH +H₂

und dann reagiert weiteres Natrium mit so erzeugtem Natriumhydrooxyd entsprechend der Gleichung

2Na + 2NaOH—»2 Na₂O + H₂.

In Situationen, indem das Vorhandensein von mit Wasserdampf beladener Luft in Verbindung mit den Außenflächen einer Natrium enthaltenden Konstruktion nicht erwartet werden kann, wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, da3 irgendeine andere wasserstoffhaltige Substanz in Verbindung mit dieser Oberfläche angeordnet wird. Im allgemeinen sind die folgenden und andere Substanzen der Art geeignet, deren Vasserstoff durch ein Alkalimetall ersetzt werden kann:.Anorganische Hydroxyde» viele Tone (einschließlich Silikate und Oxyde), Isolierstoffe wie Mica und Asbest, und organische Verbindungen wie Alkohole und Phenole»

Wenn die Erfindung dazu verwendet wird, Lecks beim Betrieb eines Kernreaktors nachzuweisen, machen die hohen Temperaturen und StrahlungsflUsse, die notwendigerweise mit Kernreaktoren verbunden sind, es wichtig, daß die Vasserstoffverbindung bei solchen höhen Temperaturen und Strahlungoflilssen stabil ist und mit rostfreiem Stahl (oder einer anderen Hochtemperaturlegierung auf Eisenbasis)- verträglich ist, die als Konstruktionswerkstoffβ für das Wärmeübertragungssystem des Reaktors verwendet werden. Es wurde experimentell festgestellt,

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daß Bariumhydroxyd Ba(OH)₂ besondere dazu geeignet 1st, angrenzend en die Außenflächen eines KernreaktorkUhlsysteme angeordnet zu werden. Bariumhydroxyd ist chemisch stabil bis zu Temperaturen von 700 ⁰C, also gut oberhalb des Bereichest unter dem Kernreaktoren eicher arbeiten können. Bariumhydroxyd ist auch unter NeutronenflUssen bis zu 5 · 10 Neutronen/cm /see stabil· unter Gammabestrahlung mit Energiepegeln bis zu 4 MeV, und Betapartikeln mit Energien bis zu 4 HeV. Zusätzlich reagiert Bariumhydroxyd mit Natrium nach der Gesamtgleichung

2Na + Ba(OH)₂ i BaO + Na₂O +

oder 2Na + BaO . H₂O —»BaO + Na₂O +

Über dem gesamten Temperaturbereich vom Schmelzpunkt von Natrium bis hinauf zu 700 ⁰C. Weiterhin reagiert Bariumhydroxyd nicht korrosiv mit rostfreica Stahl oder anderen Hoohtemperaturlegierungea auf Eisenbasis und ist inert hinsichtlich der Silikate oder Oxyde, die normalerweise als Isolierstoffe verwendet werden.

Barlumhydroxyd 1st eine relativ billige Substanz, die in Pulverform im Handel erhältlich ist. Ee kann In Berührung mit der Außenfläche einer Natrium enthaltenden Konstruktion angeordnet werden, indem es in Wasser gelöst oder mit einem Dickungsmittel, wie Bentonit in Wasser suspendiert wird. Diese Lösung oder Aufschlämmung kann dann direkt auf die Oberfläche der Natrium enthaltenden Konstruktion aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufstreichen oder Aufdampfen. Stattdessen kann das Bariumhydroxyd in gleicher oder ähnlicher Weise auf Metallgewebe, Maschenmaterial oder Drehspäne aufgebracht werden»

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und das so gebildete Material lionn in Berührung mit der Außenfläche Cer !!atrium enthaltenden Konstruktion gebracht werden·

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, in der das Alkalimetall enthaltende Rohr von einem thermischen Isolierrohr umgeben ist, und der Zwischenraum 1st mit einer porösen Füllung 27 aus Drehspänen gefüllt, die in der beschriebenen Weise mit Bariumhydroxyd beschichtet sind. Die Sonde ist durch das Isolierrohr 26 eingesetzt und ragt In den die Drehspäne 27 enthaltenden Raum. Da die Membran in der Sonde 2 bei dieser Ausftthrungsfoni aicia innerhalb des thermisch isolierten» heißen Raumes befindet, der das Rohr 1 umgibt, 1st der Heizer 9 weggelassen, weil er nicht dazu benötigt wird, die Membran heiß zu betreiben· Flüssiges Natrium in ®inm Kerxsresktorsystem befindet sich beispielsweise auf irgendeiner hohen Temperatur, etwa 400 ⁰C. Wenn das System so arbeitet, daß die Temperatur des Alkalimetalls variiert, ist es notwendig, den zweiten Zweck des fehlenden Heisere zu kompensieren, nämlich Betrieb der Membran auf konstanter Temperatur. Das wird dadurch erreicht, daß das Temperatursignal vom Empfänger 18 in einen Signaltmalys-2 Temperatürkompensator 29 Übertragen wird. Der Kompensator 29 analysiert das Temperatursignal vom Empfinger 18 und erzeugt eine Korrektur für das Drucksignal von der Pumpe 3» um ein teaperaturkorrlgiertea Drucksignal zum Alarm 4 zu Übertragen. Genauergesagt» das Leck« nachweissystem ist so kalibriert, daß der Alarm 4 aktiviert wird, wenn eine bestimmte Vaseerstoffkonzentration außerhalb der Membran 6 vorhanden ist, wenn die Membran sich auf einer gewählten Temperatur» beispielsweise 400 ⁰C, befindet. Der Kompensator 29 wird mit Bezug auf bekannte Daten der Diffusionsrat· in Abhängigkeit von der Membrantemperatur kalibriert.

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Die Diffusionsrate von Palladium In Abhängigkeit von der Temperatur ist beispielsweise zu finden in "Permeation of Hydrogen Through Metals", R.YJ· Webb, Report No· NJlA* SR-10462, Atomics International Report AT(11-1)-G£N~8, 25. Juli I9C5. Die Kalibrierung des !Compensators ist so, daß, wenn dieser ein Temperatursignal der gewählten Temperatur vom Empfänger 18 aufnimmt, er das Drucksignal von der Pumpe 3 ohne Nachstellung zum Alarm A- überträgt. Wenn die Temperatur der Membran jedoch über oder unter die gewählte Temperatur geht, sorgt dieses abweichende Temperatursignal dafür, daß der Kompensator 29 das Drucksignal von der Pumpe 3 nach oben bzw. unten nachstellt, so dad das endgültige Drucksignal zum Alarm 4 den Druck repräsentiert, der in der Pumpe auftreten würde, wenn sich die Membran auf der gewünschten Temperatur befinden würde.

In Situationen, in denen freies nicht isotopisches Wasserstoffgas normalerweise in der Nachbarschaft der Natrium enthaltenden Konstruktion vorhanden ist, beispielsweise wo SchweißvorgSnge in der Nähe des Kernreaktors oder anderen Grundsyatems stattfinden können, das überwacht wird, wird es notwendig, daß der WasserstoffgasfUhler zwischen freiem Vfaaserstoff und solchem Wasserstoff unterscheidet, der durch ein Alkalinetalleck erzeugt wird. Das kann dadurch erreicht werden, daß eine Verbindung, die eine Wasserstoff Isotope enthalt, in Verbindung mit der Außenfläche der Alkalimetall enthaltenden Konstruktion angeordnet wird, und die Vakuumpumpe mit einem Massenspektrometer gekoppelt wird. Die eine Isotope enthaltende Verbindung wird auf das Rohr 1 oder anderes Material geschichtet, wie das für Bariumhydroxyd in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben worden ist« Barium-

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HAD OBIGINAt

deuteroxyd (d.h. Bariumhydroxyd mit einem schweren Nasserstoffatom) hat im wesentlüien die gleichen Stabilitätseigenschaften wie Bariumhydroxyd und ist kommerziell leicht erhältlich. Aus diesem Grunde ist Bariumdeuteroxyd eine besonders geeignete Verbindung zur Anordnung in der Nähe eines Kernreaktors. Beim Auftreten eines Natriumlecks reagiert das Natrium mit dem Bariumdeuteroxyd, so daß Deuteriumgas erzeugt wird. Der Bereich in der Nähe des Ortes des Leckes füllt sich sofort mit einer Menge Deuteriumgas» die deutlich größer ist als die Menge an Deuteriumgas, das sich normalerweise in der Atmosphäre befindet. Dieser Überschuß kann mit einem Massenspektrometer nachgewiesen werden, und das Ausgangssignal des Spektrometer wird zum Alarm und der Aufzeichnungseinrichtung übertragen. Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der ein Massenspektrometer 30 mit der Pumpe 3 gekoppelt ist, und der /usgang vom Spektrometer wird zum Alarm 4 Übertragen. Wenn der Natriumlecknachweis auf dem Nachweis eines Wasserstoffisotopengases mit einem Spektrometer beruht, ist es nicht notwendig« daß die Vakuumpumpe eine Möglichkeit zur Überwachung des Druckes innerhalb der Pumpe aufweist· Es ist also irgendein Hochvakuumpumpentyp geeignet, wenn auch eine Ionenzerstäubungspumpe der oben besohriebaen Art weiterhin erwünscht ist, der Pumpenstrom wird jedoch nicht als Drucksignal verwendet. Ein Massenspektrometer kann auch dazu verwendet werden, nicht isotopischen Wasserstoff nachzuweisen, statt daß der Pumpenstrom oder @in Manometer verwendet warden, wenn das nachzuweisende Gas nicht isotopischer Wasserstoff ist. Irgendein übliches Massenspektrometer kann verwendet werden, das so konstruiert, oder eingestellt ist, daß selektiv die Form des Wasserstoff gases nachgewiesen wird, die , - ■■-.. _f gemessen werden soll. Wenn auch in der dargestellten^^_x ..-..,.-. Ausführungsform'das Massenspektrometer direkt mit. dem, _t '

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Alarm 4 verbunden ist, so kann es doch auch über einen Temperaturkompensator ähnlich dem Kompensator 29 an . diesen angeschlossen werden»

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SAD ORlGiNAL

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Nachweis Von Lecks von Alkalimetall aus einer dieses enthaltenden Konstruktion, dadurch gekennzeichnet« daß die Konstruktion in einer Umgebung angeordnet wird, die eine Substanz enthält, die Y/asserstoff enthält, der durch Alkalimetall ersetzt werden kann, um Wasserstoffgas au erzeugen, und daß das Vorhandensein des Wasserstoffgases nachgewiesen wird, indem es durch ein wasserstoff durchlässiges Element diffundiert wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, ^&y^G^^el^iB^jsij^xcLet^ daß die Temperatur des wasserstoffdurchlässigen Elementes überwacht wird und die erhaltene Temperaturablesung dazu verwendet wird* die nachgewiesene Diffusion von Wasserstoffgas zu korrigieren, um Änderungen der Temperatur gegenüber einer gewählten Temperatur zu kompensieren.»

3. Verfahren nach Anspruch Leder 2, dadurch

daß die Umgebungssubstanz eine Wasserstoffisotope enthält und der Nachweis des ¥asserstoffgases auf Ö.QXL Nachweis dieser Isotope begrenzt wird..

.4. Vorrichtung zur Durchfülirung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Urzeugung eines Vakuums vorge sehen ist sowie eine Einrichtung zur Messung des Wasserstoffdruckes im Vakuum, und daß ein wasserstoffdurchlässiges Element dicht an die Vakuumerzeugungseinrichtung angesetzt ist und eine

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Anzeigeeinrichtung so angeschlossen ist, daß sie das Ausgangssignal von der Meßeinrichtung erhält» um den Durchtritt von Wasserstoff durch das wasserstoffdurchlässige Element anzuzeigen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Vakuums und die Einrichtung zur Messung dec Wasserstoffdruckes aus einer Ionenzerstäubungspumpe bestehen.

C. Vprxichtung nach Anspruch 4 oder 5_t dadurch gekennzeichnet. daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Temperatur des wasserstoffdurchlässigen Elementes gefühlt wird und ein Temperatursignal derzeugt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizer angrenzend an das wasser» stoffdurchläsaige Element angeordnet ist.

0· Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7» dadurch gek ennzelehnet» daß das Temperatursignal zum Heizer übertragen wird, um diesen so einzustellen, daß das wasserstoffdurchlässige Element auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet. daß eine Teraperaturkompensationaeinrichtung mit dor Druckmeßeinrichtung und der Temperaturfühleinrichtung verbunden ist und ein temperaturkorrigiertes Drucksignal erzeugt und dieses korrigierte Drucksignal der Anzeigeeinrichtung zugeführt wird.

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10, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch /^ekejnnzeichnet, daß eine durch./lkalimetall ersetzbaren Wasserstoff enthaltende Substanz angrenzend an die das Alkalimetall enthaltende Konstruktion angeordnet ist.

ο Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,;, daß der Wasserstoff in der Substanz nicht isotopischer Wasserstoff iste

12« Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ^kennzeichnet., daß die Substanz Bariumhydroxyd ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10,

daß der Wasserstoff in der Substanz isotopischer Wasserstoff ist.

14„ Vorrichtung nach Anspruch 13ι dadurch gekennzeichnet» daß die Substanz aus Bariumdeuteroxyd besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet _| _B daß die Druckmeßeinrichtung aus einer Einrichtung besteht,, mit der selektiv der Druck des isotopischen Wasserstoffs gemessen wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15₈ dadurch gekennzeichnet^ daß eine thermische Isolierkonstruktton die das Alkalimetall enthaltende Konstruktion umschließt und das Wasserstoffdurchlässige Element innerhalb der thermischen Isolierung und außerhalb der Konstruktion angeordnet ist.

17« Vorrichtung nach Anspruch 16_P djadurcl^^ekffnnzeichnet

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daß eine Substanz zwischen der 'chemischen Inolier-.konstruktion und der Alkalimetall enthaltenden Konstruktion angeordnet ist, und diese Substanz Wasserstoff enthält, der durch Alkalimetall ersetzbar ist.

18p Vorrichtimg nach Anspruch 17,

daß die Substanz ein Viasserdampf enthaltendes Gas ist,

19. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch _iig_ieke3ffi2eichnet_ii,_ii c'aß die Substanz eine feste Substanz ist_e die für Wasserstoff porös gemacht ist und mit einem Material beschichtet ist, das durch Alkalimetall ersetzbaren Wasserstoff enthält.

20. Werkstoff zur Verwendung bei einem Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 » dadurch ^ekennz_ieichn_igt_<fi daß er aus einer für Wasserstoff porösen Substanz besteht, die mit einem Stoff beschichtet ist, der durch Alkalimetall ersetzbaren Wasserstoff enthält, und daß die Substanz fest ist und einen Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes irgendeines Alkalimetalle hat.

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